硅基互補金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 技術(shù)是當前集成電路行業(yè)的主流技術(shù)和驅(qū)動力，主要原因之一是使用該技術(shù)可以獲得極高的能源效率。但是，硅材料較窄的帶隙限制了硅基集成電路的使用場景，從而使得寬禁帶半導(dǎo)體，例如氮化鎵 (GaN)等，在電力電子、射頻功率放大器和嚴酷環(huán)境的應(yīng)用中受到青睞。然而，由于缺乏在單個襯底上集成 n 溝道和 p 溝道場效應(yīng)晶體管的合適策略，GaN基CMOS 邏輯電路的開發(fā)非常具有挑戰(zhàn)性且發(fā)展緩慢。

 

近日，由香港科技大學(xué)陳敬教授帶領(lǐng)的研究團隊在著名期刊Nature Electronics發(fā)表了他們的研究成果，報道了增強型 n 溝道和 p 溝道 GaN 場效應(yīng)晶體管的單片集成技術(shù)以及基于 GaN 的互補型邏輯集成電路的制造。在這一工作中，陳教授的團隊制備了完備的基本邏輯門集合——包括非、與非、或非和傳輸門。其中，以反相器為代表的邏輯門展現(xiàn)出100%軌到軌輸出能力、顯著抑制的靜態(tài)功耗、良好的熱穩(wěn)定性和充分高的噪聲容限，單項指標與綜合性能均為已報道的同類反相器中之最佳。除了完備的單級基本邏輯門，該團隊進一步展示了由多級互補型邏輯門組成的擁有較高復(fù)雜度的集成電路，如鎖存單元 (latch cell)和環(huán)形振蕩器 (ring oscillator)。多級集成能力的證明，對將GaN基CMOS技術(shù)推向?qū)嵱镁哂兄匾饬x。

 

此次發(fā)表的研究成果，頗具意義，也引發(fā)了業(yè)界的廣泛關(guān)注。為此，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)/第三代半導(dǎo)體（微信公號）特別采訪了陳敬教授，與業(yè)界分享更多關(guān)于此次研究成果的信息。

 

陳敬教授：我們基于商用p型柵硅上氮化鎵平臺，制備了同片集成的氮化鎵基互補型(GaN CMOS)邏輯電路，首次展示了一個完整的基本邏輯門集合，以及多級邏輯門集成更復(fù)雜邏輯電路的能力。所展示的氮化鎵互補型邏輯電路擁有一系列“類CMOS”的優(yōu)點，包括在兩個邏輯狀態(tài)下的靜態(tài)功耗都被顯著抑制、軌到軌電壓輸入輸出能力、合適的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)閾值、高噪聲容限等。同時，這些電路可以工作在兆赫茲頻率，并且擁有出色的熱穩(wěn)定性，一定程度上體現(xiàn)了寬禁帶半導(dǎo)體的優(yōu)勢。

 

此工作的核心在于實現(xiàn)氮化鎵p-溝道場效應(yīng)晶體管（GaN p-FET）的器件制備技術(shù)，通過特殊的氧等離子處理技術(shù)實現(xiàn)了埋柵型場效應(yīng)器件，有效的將導(dǎo)通溝道和氮化鎵、柵氧層界面隔離，從而壓制界面態(tài)的負面影響，在GaN p-FET中實現(xiàn)了滿足GaN CMOS 要求的器件性能，包括增強型工作所需的負閾值電壓（−1.2 V），高開關(guān)電流比 （~10⁶），較高的飽和電流密度（~2 mA/mm），低柵極漏電流（10^-6 mA/mm）等 。

 

陳敬教授：以高電子遷移率晶體管（HEMT）為代表的n溝道氮化鎵器件已歷逾25年的研發(fā)，并于近年開啟了快速商業(yè)化的進程。但是，氮化鎵基互補型邏輯電路的研發(fā)進展緩慢，不僅囿于制備性能良好的p溝道器件的技術(shù)瓶頸，還包括缺乏合適的將n、p溝道器件集成在同一芯片上的策略。

 

2014年德國亞琛工業(yè)大學(xué)展示了第一個單片集成的氮化鎵互補型邏輯反相器；2016年美國HRL實驗室通過再生長技術(shù)制備了具有可用噪聲容限的互補型邏輯反相器；2020年美國麻省理工學(xué)院展示了具有軌到軌輸出特性的互補型邏輯反相器。在此工作之前，上述反相器皆未能展示CMOS類電路的最大優(yōu)勢——兩個邏輯狀態(tài)下都能得到顯著抑制的靜態(tài)功耗；亦未有其他互補型邏輯電路特別是多級邏輯電路的展示。學(xué)界和業(yè)界對于氮化鎵互補型邏輯電路是否可得可用存在疑問。

 

陳敬教授：該研究成果清楚地揭示了在現(xiàn)有的商用平臺上制備氮化鎵互補型邏輯電路的可能性，并證明了該類電路可以擁有其他CMOS電路所擁有的一系列優(yōu)點，以及以兆赫茲頻率工作的能力。因此，以氮化鎵互補型邏輯電路作為氮化鎵功率開關(guān)的外圍電路并與之同片集成，變成了一個近期可以實現(xiàn)的目標。

 

陳敬教授：接下來希望和業(yè)界合作，充分利用業(yè)界的先進制備能力，進一步縮減器件尺寸、提升器件性能及可靠性，制備更加性能優(yōu)良的氮化鎵互補型邏輯電路，并與氮化鎵功率開關(guān)實現(xiàn)單片集成，獲得更加功能強大、節(jié)能高效的電源系統(tǒng)。同時，氮化鎵電子器件及集成電路家庭因為GaN CMOS的加入會更加完整，實現(xiàn)氮化鎵基計算控制芯片已經(jīng)變?yōu)榭赡?，氮化鎵電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域會進一步擴展。

 

從過去到現(xiàn)在，技術(shù)的進步就在一代代科技人面對挑戰(zhàn)、取得突破的過程中實現(xiàn)著，并同時改變著人們的生活。此次研究成果引起了強烈的反響，有了更好的技術(shù)水平提升，也期待未來的實踐表現(xiàn)。

 

（以下所展示的圖片均最早見于陳教授團隊發(fā)表于《Nature Electronics》的論文正文及補充材料，鏈接請見文末。）

 

在這項工作中展示的所有 GaN 互補邏輯電路的制備均基于普通的 p型柵功率 HEMT 平臺，即生長于 6 英寸或 8 英寸硅晶圓上的p-GaN/AlGaN/GaN 外延結(jié)構(gòu)。 這項工作中使用的晶片具有 4 µm 厚的 GaN 緩沖層，專門為 650 V 電力電子應(yīng)用而設(shè)計。高壓 HEMT 的制造與低壓 n 溝道 HEMT 的制造相同。下圖 a 描繪了高壓 p型柵功率 HEMT的示意圖，該器件柵-漏極間距LGD = 15 µm。

 

 

圖1 |單片集成的GaN互補型邏輯反相器

 

圖2 |分立n溝道晶體管和p溝道晶體管的準靜態(tài)電學(xué)特性

 

圖3 | GaN基互補型邏輯反相器的特性

 

圖4 |單級GaN單片集成互補型基本邏輯門

圖5 |由兩個交叉耦合的GaN互補型邏輯反相器所組成的鎖存單元

圖6 |由多級GaN互補型邏輯反相器組成的環(huán)形振蕩器

 

 

https://www.nature.com/articles/s41928-021-00611-y

 

【陳敬教授簡介】

陳敬教授1988年獲得北京大學(xué)學(xué)士學(xué)位，并通過CUSPEA項目于1993年獲得美國馬里蘭大學(xué)帕克分校博士學(xué)位。他的行業(yè)實踐經(jīng)歷包括在日本NTT LSI實驗室和美國安捷倫科技從事化合物半導(dǎo)體高速器件技術(shù)研發(fā)工作。

 

陳敬教授自2000年起在香港科技大學(xué)任教，現(xiàn)為電子和計算機工程系正教授。他曾在國際期刊和會議論文集中發(fā)表500余篇論文，其中包括國際電子器件會議IEDM發(fā)表28次. 在GaN電子器件技術(shù)方面曾獲得11項美國專利授權(quán)。他所帶領(lǐng)的團隊目前的研究重點在于開發(fā)用于功率電子、射頻/微波及耐惡劣環(huán)境電子等方面的GaN器件及集成電路技術(shù)。

 

他是IEEE Fellow， 2013年陳敬教授曾擔任《IEEE電子器件匯刊》“GaN電子器件”特刊的特邀編委。此外，他還擔任《IEEE電子器件匯刊》、《IEEE微波理論與技術(shù)匯刊》及《日本應(yīng)用物理雜志》的編輯。陳敬教授曾于2019年擔任在上海舉辦的IEEE第31屆國際功率半導(dǎo)體器件和集成電路研討會ISPSD2019的技術(shù)委員會主席，并將于2023年在深圳舉行的第35屆ISPSD2023擔任大會主席。